電工學(xué)A實驗指導(dǎo)書手冊

1、PAGE PAGE 10實驗一 電路元件伏安特性的測繪一、實驗?zāi)康膶W(xué)會識別常用電路元件；掌握線性電阻、非線性元件伏安特性的測繪（逐點測試法）；掌握直流電工儀表的使用方法。二、實驗設(shè)備測量線性電阻的伏安特性必須有線性電阻；伏安特性指的是電壓和電流的關(guān)系，必須有電壓表和電流表；電路中有電壓和電流必須要有電源。因此實驗設(shè)備如下：序號名 稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源030V12萬 用 表MF-47或其他13直流數(shù)字毫安表0200mA14直流數(shù)字電壓表0200V15線性電阻器1K/2W16白熾燈12V/0.1A1HE-117二極管1N4007，額定正流電流IF1A，反向電流IR5A1HE-11

2、8穩(wěn)壓二極管2CW51，最大電流20mA1HE-11三、實驗原理1、要進(jìn)行線性電阻的伏安特性測量，可測量某個電阻上不同的電壓和電流，如何能得到不同的電壓和電流？一種方法是把一個線性電阻和一個可調(diào)電源相連，每改變一次電源電壓，就能改變電阻上的電壓和電流，如圖1-1；另一種方法是電源固定，在線性電阻電路中再串上一個可變線性電阻器，改變線性電阻器值的大小，就可改變電阻上的電壓、電流的大小，如圖1-2。UmARL1KV010VUmARL1KV10K10V圖1-1 測量線性電阻伏安特性方法一 圖1-2 測量線性電阻伏安特性方法二2、白熾燈泡在工作時燈絲處于高溫狀態(tài)，其燈絲電阻隨著溫度升高而增大，通過白熾

3、燈的電流越大，其溫度越高，電阻也越大，一般燈泡的的“冷電阻”與“熱電阻”可能相差幾倍至幾十倍。3、我們所學(xué)過的器件中哪些是非線性器件？二極管、三極管等，下面我們測一下二極管的伏安特性，為了防止在測量過程中造成二極管的損壞，所選用的二極管的型號為1N4007，另外還需要限流電阻（200/1W，十進(jìn)制可變電阻器）。要進(jìn)行二極管伏安特性測量，可測量其上不同的電壓和電流，如何能得到不同的電壓和電流？先研究一下正向特性的測量：把一個二極管和一個可調(diào)電源相連，每改變一次電源電壓，就能改變二極管兩端的電壓和電流，如圖1-3。如何測量二極管的反向特性？其實只需電路中的電源或二極管的極性反接在電路中，還有沒有其

4、他要求呢？由二極管理論知識可知，二極管反向電流非常小，因此測反向電流時可以用微安表（實際做實驗時，測量正向和反向電流時有時都用電流表）如圖1-4。UmA+-R200V+-VD1N40070-30VUmAR200VVD1N4007012V圖1-3 測量二極管正向伏安特性 圖1-4 測量二極管反向特性4、穩(wěn)壓二極管是一種特殊半導(dǎo)體二極管，其正向特性與普通二極管類似，但其反向特性較特別。反向電壓由0開始增加時，其反向電流幾乎為0，但當(dāng)電壓增加到某一數(shù)值（穩(wěn)壓值）時，電流將突然增加，以后它的端電壓將維持不變，不再隨外加電壓升高而增大。四、實驗內(nèi)容和步驟1測定線性電阻的伏安特性按照圖1-1接線并測量，調(diào)

5、節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓U，從0伏開始緩慢地增加，一直到10V，記下相應(yīng)的電壓表和電流表的讀數(shù)UR、I，填入表1-1。思考：如果電源電壓調(diào)不到0V，如何測量0V電壓下的電流？最好的方法就是不加電源，是不是很簡單？表1-1線性電阻伏安特性測量數(shù)據(jù)U(V)0246810I(mA)2. 測定非線性白熾燈泡的伏安特性將圖1-1中的RL換成一個12V/0.1A燈泡，按表1-2測量。表1-2白熾燈泡伏安特性測量數(shù)據(jù)U(V)0246810 12I(mA)3測量半導(dǎo)體二極管的伏安特性測量二極管正向特性，按圖1-3接線，R為限流電阻器（思考：為什么要接電阻R？）。調(diào)節(jié)輸出電壓使二極管VD的正向施壓UD+可在00.7

6、5V之間取值，測量出對應(yīng)的電流，填入表三。表1-3二極管正向特性實驗數(shù)據(jù)UD+ (V)00.200.400.450.500.550.600.650.700.75I（mA）測量二極管反向特性，按圖1-4接線（圖中電壓表、電流表所示值為電源電壓為-30V時的參考值），調(diào)節(jié)輸出電壓從0-30V，把對應(yīng)的電流值填入表四中。表1-4二極管反向特性實驗數(shù)據(jù)UD(V)0-5-10-15-20-25-30I（mA）4測量穩(wěn)壓二極管的伏安特性將圖1-3中的二極管換成穩(wěn)壓二極管2CW51（最大電流20mA），按下表測量。表1-5穩(wěn)壓二極管正向特性實驗數(shù)據(jù)UZ+ (V)00.20.40.450.500.550.60

7、0.650.700.75I（mA）將圖4中二極管換成穩(wěn)壓二極管2CW51，調(diào)節(jié)輸出電壓，把對應(yīng)的電流值填入表六表1-6穩(wěn)壓二極管反向特性實驗數(shù)據(jù)UZ(V)0-1.5-2-2.5-2.8-3-3.2-3.5-4I（mA）五、實驗結(jié)論分析根據(jù)各實驗數(shù)據(jù)：繪制電阻器和二極管的伏安特性曲線，找出電壓和電流大小之間的關(guān)系？在測量二極管正反特性時，二極管兩端的電壓為多少時，才有電流，為什么？二極管導(dǎo)通后，繼續(xù)增大電源電壓，其上的電壓和電流有什么變化？比較正向電流和反向電流的大小，說明什么問題？六、預(yù)習(xí)思考題1. 線性電阻的伏安特性是怎樣的？2. 白熾燈泡在工作時燈絲的伏安特性是怎樣的？3. 普通二極管的伏

8、安特性是怎樣的？4. 穩(wěn)壓二極管的伏安特性是怎樣的？七、實驗報告1. 根據(jù)各實驗結(jié)果數(shù)據(jù)， 分別在方格紙上繪制出光滑的伏安特性曲線。（其中二極管和穩(wěn)壓管的正、反向特性均要求畫在同一坐標(biāo)軸中，正、反向電壓可取為不同的比例尺）。2. 根據(jù)實驗結(jié)果，總結(jié)、歸納被測各元件的伏安特性。3. 完成數(shù)據(jù)表格中的計算，對誤差作必要的分析。4. 心得體會及其它。實驗二 （一）基爾霍夫定律的驗證一、實驗?zāi)康?. 驗證基爾霍夫定律的正確性，加深對基爾霍夫定律的理解；2. 學(xué)會用電流插頭、插座測量各支路電流及電壓；3. 正確理解電壓、電流的實際方向與參考方向的關(guān)系。二、實驗設(shè)備基爾霍夫電流定律介紹了某節(jié)點中各支路電流

9、之間的約束關(guān)系，即對電路中的任一個節(jié)點而言，應(yīng)有I0。因此實驗中要用到電流表，電路中有電流必須有電源，另外還需要電阻（或?qū)嶒灠澹┑绕骷唧w如下：序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1直流可調(diào)穩(wěn)壓電源030V二路2萬 用 表MF-471可選用3直流數(shù)字毫安表0200mA14直流數(shù)字電壓表0200V15實驗箱中“基爾霍夫定律/疊加原理”線路1HE-12三、實驗原理基爾霍夫定律是電路的基本定律，電路的各支路電流和多個元件兩端電壓，應(yīng)分別滿足基爾霍夫電流定律和電壓定律。KCL介紹了某節(jié)點中各支路電流之間的約束關(guān)系，即對電路中的任一個節(jié)點而言，應(yīng)有I0。基爾霍夫電壓定律(KVL)的內(nèi)容是對任何一個閉合回路而言，

10、應(yīng)有U0。運用上述定律時必須注意電流的參考方向，此方向需預(yù)先設(shè)定。四、實驗內(nèi)容和步驟實驗電路如圖2-1，使用HE-12掛箱的“基爾霍夫定律/疊加原理”線路。F126V12V1KV電流的參考方向已在標(biāo)中標(biāo)出，對于節(jié)點A有I1+I2=I3（根據(jù)圖，測量時只需測量出三個電流即可。參考方向是為了計算和測量方便，而假設(shè)的一種方向，如測得物理量（如電壓、電流）值為正，表明實際的方向和參考方向一致，否則相反。圖2-1驗證基爾霍夫定律實驗電路圖1. 實驗前先任意設(shè)定三條支路和三個閉合回路的電流正方向。圖2-1中的I1、I2、I3的方向已設(shè)定。三個閉合回路的電流正方向可設(shè)為ADEFA、BADCB和FBCEF。2

11、. 分別將兩路直流穩(wěn)壓源接入電路，令U16V，U212V。3. 熟悉電流插頭的結(jié)構(gòu)，將電流插頭的兩端接至數(shù)字毫安表的“、”兩端。4. 將電流插頭分別插入三條支路的三個電流插座中，讀出并記錄電流值I1、I2和I3（根據(jù)圖2-1中的參考方向，正確連接電流表，兩者應(yīng)保持一致，如I1中的電流參考方向由左到右，則連接電流表應(yīng)為左正右負(fù)），填入表2-1。5. 用直流數(shù)字電壓表分別測量兩路電源及電阻元件上的電壓值，記入表2-1中。表2-1驗證基爾霍夫定律實驗數(shù)據(jù)被測量I1(mA)I2(mA)I3(mA)U1(V)U2(V)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)計算值測量值相對誤差五、實

12、驗結(jié)論分析1.根據(jù)測量數(shù)據(jù)，分析對于節(jié)點A，各支路之間的電流關(guān)系如何？2.根據(jù)測量數(shù)據(jù)，分析回路ACDA、ABCA、ABCDA各段電壓降代數(shù)和是多少？六、預(yù)習(xí)思考題1. 根據(jù)圖2-1的電路參數(shù)，計算出待測的電流I1、I2、I3和各電阻上的電壓值，記入表2-1中，以便實驗測量時，可正確地選定毫安表和電壓表的量程。2. 實驗中，若用指針式萬用表直流毫安檔測各支路電流，在什么情況下可能出現(xiàn)指針反偏，應(yīng)如何處理？在記錄數(shù)據(jù)時應(yīng)注意什么？若用直流數(shù)字毫安表進(jìn)行測量時，則會有什么顯示呢？七、實驗報告1. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選定節(jié)點A，驗證KCL的正確性。2. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選定實驗電路中的任一個閉合回路，驗證

13、KVL的正確性。3. 將支路和閉合回路的電流方向重新設(shè)定，重復(fù)1、2兩項驗證。4. 誤差原因分析。5. 心得體會及其它。實驗二（二）疊加原理的驗證一、實驗?zāi)康尿炞C線性電路疊加原理的正確性，加深對線性電路的疊加性和齊次性的認(rèn)識和理解。二、實驗設(shè)備序號名 稱型號與規(guī)格數(shù)量備 注1直流穩(wěn)壓電源030V可調(diào)二路2萬用表1自備3直流數(shù)字電壓表0200V14直流數(shù)字毫安表0200mV15實驗箱中疊加原理的線路1HE-12三、實驗原理疊加原理指出：在有多個獨立源共同作用下的線性電路中，通過每一個元件的電流或其兩端的電壓，可以看成是由每一個獨立源單獨作用時在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。線性電路的齊次性

14、是指當(dāng)激勵信號（某獨立源的值）增加或減小K 倍時，電路的響應(yīng)（即在電路中各電阻元件上所建立的電流和電壓值）也將增加或減小K倍。四、實驗內(nèi)容和步驟實驗線路如圖2-2所示，使用HE-12掛箱的“基爾霍夫定律/疊加原理”線路。圖2-2驗證疊加原理實驗電路圖1. 將兩路穩(wěn)壓源的輸出分別調(diào)節(jié)為12V和6V，接入U1和U2處。2. 令U1電源單獨作用（將開關(guān)K1投向U1側(cè)，開關(guān)K2投向短路側(cè)）。用直流數(shù)字電壓表和毫安表（接電流插頭）測量各支路電流及各電阻元件兩端的電壓，數(shù)據(jù)記入表2-2。3. 令U2電源單獨作用（將開關(guān)K1投向短路側(cè)，開關(guān)K2投向U2側(cè)），重復(fù)實驗步驟2的測量和記錄，數(shù)據(jù)記入表2-2。4.

15、 令U1和U2共同作用（開關(guān)K1和K2分別投向U1和U2側(cè)）， 重復(fù)上述的測量和記錄，數(shù)據(jù)記入表2-2。表2-2驗證疊加定理實驗數(shù)據(jù)一測量項目實驗內(nèi)容U1(V)U2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)U1單獨作用U2單獨作用U1、U2共同作用2U2單獨作用5. 將U2的數(shù)值調(diào)至12V，重復(fù)上述第3項的測量并記錄，數(shù)據(jù)記入表2-2。6. 將R5（330）換成二極管 IN4007（即將開關(guān)K3投向二極管IN4007側(cè)），重復(fù)15的測量過程，數(shù)據(jù)記入表2-3。表2-3驗證疊加定理實驗數(shù)據(jù)二測量項目實驗內(nèi)容U1(V)U2(V)I1(mA

16、)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)U1單獨作用U2單獨作用U1、U2共同作用2U2單獨作用五、實驗結(jié)論分析根據(jù)測量數(shù)據(jù)，分析多個電源共同作用下其電流和電壓與各個電源分別單獨作用時分電流和分電壓的關(guān)系，驗證電路的疊加性與齊次性。六、預(yù)習(xí)思考題1疊加原理的內(nèi)容是什么？怎樣的電路中的電流和電壓符合疊加原理？2. 在疊加原理實驗中，要令U1、U2分別單獨作用，應(yīng)如何操作？可否直接將不作用的電源（U1或U2）短接置零？3. 實驗電路中，若有一個電阻器改為二極管， 試問疊加原理的疊加性與齊次性還成立嗎？為什么？七、實驗報告1. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表格，進(jìn)行分析

17、、比較，歸納、總結(jié)實驗結(jié)論，即驗證線性電路的疊加性與齊次性。2. 各電阻器所消耗的功率能否用疊加原理計算得出？ 試用上述實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算并作結(jié)論。3. 通過實驗步驟6及分析表格2-3的數(shù)據(jù)，你能得出什么樣的結(jié)論？4. 心得體會及其它。實驗三電壓源與電流源的外特性及其等效變換一、實驗?zāi)康?. 掌握電源外特性的測試方法。2. 驗證電壓源與電流源等效變換的條件。二、實驗設(shè)備序號名 稱型號與規(guī)格數(shù)量備 注1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源030V12可調(diào)直流恒流源0200mA13直流數(shù)字電壓表0200V14直流數(shù)字毫安表0200mA15萬用表1外配6電阻器51，200，1KHE-117可調(diào)電阻箱099999.91H

18、E-19三、實驗原理1. 一個直流穩(wěn)壓電源在一定的電流范圍內(nèi)，具有很小的內(nèi)阻。故在實用中，常將它視為一個理想的電壓源，即其輸出電壓不隨負(fù)載電流而變。其外特性曲線，即其伏安特性曲線Uf(I)是一條平行于I軸的直線。一個實用中的恒流源在一定的電壓范圍內(nèi)，可視為一個理想的電流源。2. 一個實際的電壓源（或電流源）， 其端電壓（或輸出電流）不可能不隨負(fù)載而變，因它具有一定的內(nèi)阻值。故在實驗中，用一個小阻值的電阻（或大電阻）與穩(wěn)壓源（或恒流源）相串聯(lián)（或并聯(lián)）來摸擬一個實際的電壓源（或電流源）。3. 一個實際的電源，就其外部特性而言，既可以看成是一個電壓源，又可以看成是一個電流源。若視為電壓源，則可用一

19、個理想的電壓源Us與一個電阻Ro相串聯(lián)的組合來表示；若視為電流源，則可用一個理想電流源Is與一電導(dǎo)go相并聯(lián)的組合來表示。如果這兩種電源能向同樣大小的負(fù)載供出同樣大小的電流和端電壓，則稱這兩個電源是等效的，即具有相同的外特性。一個電壓源與一個電流源等效變換的條件為：IsUsRo，go1/Ro 或 UsIsRo，Ro 1/ go 。如圖3-1所示。圖3-1四、實驗內(nèi)容及步驟1. 測定直流穩(wěn)壓電源與實際電壓源的外特性按圖3-2接線。Us為6V直流穩(wěn)壓電源。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄兩表的讀數(shù)。圖 3-2 圖 3-3 R2（）470400300200100500U（V）I（mA） (2) 按圖3-3接線，虛線框可模擬為一個實際的電壓源。調(diào)節(jié)R2，令其阻值由大至小變化，記錄兩表的讀數(shù)。R2（）470400300250200150100500U（V）I（mA）2. 測定電流源的外特性按圖3-4接線，Is為直流恒流源，調(diào)節(jié)其輸出為5mA，令Ro分別為